激光增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

朱泊霖 曹成

（1.空軍工程大學(xué)，陜西西安 710000；2.航空工程學(xué)院，陜西西安 710000）

0.引言

增材制造的概念是在1980年代后期引入的，相關(guān)研究于1990年代初在中國開始。經(jīng)過短短20年的時(shí)間，該技術(shù)發(fā)展迅速，在航空航天、微納米生產(chǎn)和生物醫(yī)學(xué)工程等諸多領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。航空航天工業(yè)在1980年代后期開始使用層壓成型技術(shù)，最初，層壓建模在航空航天工業(yè)的快速原型制作中發(fā)揮了很小的作用。近年來的發(fā)展趨勢(shì)表明，該技術(shù)在整個(gè)航空業(yè)中具有戰(zhàn)略地位。

1.激光增材制造技術(shù)原理與特點(diǎn)

激光增材制造技術(shù)是集計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)器、控制等交叉學(xué)科知識(shí)為一體的綜合系統(tǒng)技術(shù)。產(chǎn)品的3DCAD模型可以使用離散的逐點(diǎn)或逐層疊加原理快速打印產(chǎn)品部件，這改變了傳統(tǒng)金屬零件的處理方式[1]。性能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬部件，激光層壓成型技術(shù)主要用于航空領(lǐng)域結(jié)構(gòu)性和功能性金屬零件的快速生產(chǎn)，迄今為止，最成熟的技術(shù)包括激光熔融沉積技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)。

LMD技術(shù)是激光金屬層壓技術(shù)的典型工藝，它結(jié)合了層壓的累積原理和激光熔覆技術(shù)，以金屬粉末為原料進(jìn)行處理，利用高速激光熔化固化。高激光能量用于熔化金屬粉末和基體，在基體上形成熔池，將熔融粉末沉積在熔池上并在表面形成涂層。冷卻固化后的基材表面，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)被加工零件CAD模型的分層盤信息，控制X、Y、Z軸工作臺(tái)上激光頭和供粉噴嘴的運(yùn)動(dòng)，制作出一定高度和寬度的金屬，按點(diǎn)、線、層重疊，最終形成整個(gè)金屬部件[2]。

SLM技術(shù)起源于選擇性激光熔煉和燒結(jié)技術(shù)。逐層粉末擴(kuò)散法和逐層熔體堆積法使該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎任何復(fù)雜零件的高效率和致密成型。由于SLM工藝的層厚較小，一般為30μm～60μm。因此，成型精度高，表面質(zhì)量好。2000年后，基于SLS技術(shù)的發(fā)展迅速，國內(nèi)外許多公司、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)迅速推進(jìn)可持續(xù)土地管理設(shè)備系統(tǒng)、工藝改進(jìn)和新材料開發(fā)。

LMD技術(shù)一般采用大激光功率、大可調(diào)范圍和大激光光斑尺寸，因此調(diào)制效率高，通過控制參數(shù)可以獲得各種結(jié)構(gòu)。同軸送粉工藝的特點(diǎn)決定了澆注量不受限制?？稍谕涣慵?nèi)實(shí)現(xiàn)多材料復(fù)合分步加工，可用于高性能損壞零件的加工和修復(fù)。在開發(fā)過程中，形成了許多名稱，例如直接金屬沉積、激光工程、近網(wǎng)格形式、激光增材制造和快速激光原型。民機(jī)工業(yè)的一大優(yōu)勢(shì)是所有飛機(jī)材料和制造方法都必須通過適航認(rèn)證，并了解經(jīng)過驗(yàn)證的應(yīng)用。該命令允許材料規(guī)格和相應(yīng)的實(shí)用規(guī)格，并負(fù)責(zé)授權(quán)軍方展示和批準(zhǔn)軍方。目前，國外在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定中處于領(lǐng)先地位[3]。

2.激光熔化沉積（LMD）

激光選區(qū)熔化技術(shù)最早由德國研究所于1995年提出，激光選區(qū)熔化技術(shù)與激光熔融沉積的主要區(qū)別在于激光電源和處理材料。為確保金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術(shù)需要高強(qiáng)度激光將光斑聚焦到數(shù)十至數(shù)百微米，掃描振鏡根據(jù)鑄件3DCAD模型的分層圓盤信息，控制激光束作用于鑄筒內(nèi)的粉末，清層后，活塞在活塞筒內(nèi)上升一定的厚度距離，然后送粉筒上升一定的厚度距離[4]。粉末涂裝系統(tǒng)中的滾筒噴出一層厚厚的粉末并掉落在模具層上，然后重復(fù)上面的兩個(gè)整形過程，直到3DCAD模型盤中的所有圖層都被擦除，這樣就可以將3DCAD模型逐層組裝起來，直接形成金屬零件。

直接沉積層壓技術(shù)缺乏明確的備件、鍛造加工或大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)配套設(shè)施，材料利用率高，工藝量低，數(shù)控加工具有時(shí)間短、生產(chǎn)周期短、多步驟、操作簡單、靈活性高和反應(yīng)能量快的特點(diǎn)。該技術(shù)還可以根據(jù)不同零件的工作條件和特殊性能要求，直接生產(chǎn)功能梯度材料制成的高性能金屬，這使得大型建筑零件和功能特別復(fù)雜，適用于非零件的處理。激光選擇性熔化技術(shù)可以直接轉(zhuǎn)換為最新的金屬產(chǎn)品，無需許多中間過渡鍵，尺寸精度零件高，表面質(zhì)量好（約10μm～30μm），適用于各種復(fù)雜形狀的工件，尤其是傳統(tǒng)工件，這種方法不允許生產(chǎn)具有復(fù)雜和特殊形狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工件，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的簡單小批量非導(dǎo)電高速響應(yīng)加工[5]。

3.激光增材制造材料體系及應(yīng)用

（1）可用于激光增材制造技術(shù)的航空航天材料。航空航天用鈦合金零件具有體積大、成形性差、制造工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，品種多、批量小、響應(yīng)快，用常規(guī)處理方法加工難度極大，激光層壓鑄造技術(shù)可以滿足這些要求。TC4鈦合金主要用于航空航天工業(yè)的框架、橫梁、接頭和刀具等零件，這種合金具有優(yōu)異的熱彈性和焊接性，非常適合生產(chǎn)激光添加劑。此外，先進(jìn)飛機(jī)大型集成主載重能力的主要結(jié)構(gòu)部件采用TA15、TC21、TC18、TC2等鈦合金材料和集成鈦合金葉片等氣動(dòng)執(zhí)行器的主要部件。TC11、TC17、Ti60等都使用激光器，高速處理，它還用于飛機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)。

長期以來，鋁合金一直是航天工業(yè)中最重要的建筑材料之一，然而，鋁合金在生產(chǎn)中作為添加劑面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，高導(dǎo)熱性、流動(dòng)性差和輕的粉末重量提供高反射，這一技術(shù)難題于2013年由德國弗勞恩霍夫研究所解決，并得到EOS、ConceptLaser等世界級(jí)金屬3D打印公司的積極推動(dòng)，可用于3D激光打印的鋁合金材料有AlSi10Mg、A6061、AlSi12、AlSi12Mg[6]。此外，還對(duì)鋁硅7Mg、鋁硅9Cu3、鋁硅4.5Mn4、6061等鋁硅合金進(jìn)行了研究和應(yīng)用，它是除了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和其他零件的最佳材料。然而，這一特點(diǎn)給銅合金添加劑的生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，銅粉反射率高，易氧化，用激光連續(xù)熔化銅合金粉較困難。因此，在銅粉中加入元素來改變粉末的熱性能對(duì)于激光添加劑的形成是非常重要的。Inconel718含有鈮和鉬等元素，它在700℃下具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，常用于汽輪機(jī)部件和液體火箭燃料，這種合金具有良好的可焊性，焊后不易產(chǎn)生裂紋，特別適用于生產(chǎn)激光添加劑。此外，Inconel600、Inconel690和Inconel713也被用于研究激光層壓成型技術(shù)的形成。

因瓦合金被譽(yù)為礦物之王，它具有非常穩(wěn)定的物理性能，不會(huì)因極端溫度變化而收縮或膨脹[7]。因此，它是光學(xué)設(shè)備平臺(tái)和穩(wěn)定性要求高的設(shè)備平臺(tái)的理想生產(chǎn)材料，廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。Goddard航天中心的技術(shù)專家Tim-Stephenson與EOSNorthAmerica合作，首次使用選擇性激光熔化技術(shù)開發(fā)了因瓦合金的結(jié)構(gòu)。

（2）具體應(yīng)用。航天飛機(jī)更精確、更輕、更機(jī)動(dòng)。結(jié)構(gòu)部件對(duì)輕量化、集成化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)與功能一體化、運(yùn)行成本低等方面提出了更好的規(guī)定。技術(shù)應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這一要求的通用方式。大中型一體化零件和承重零件的生產(chǎn)加工，可縮短生產(chǎn)加工周期，降低生產(chǎn)成本。鋁合金一體式船體已在世界各地機(jī)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，以提高結(jié)構(gòu)效率，減輕結(jié)構(gòu)凈重，簡化生產(chǎn)工藝。然而，這種整體設(shè)計(jì)是制造中的一個(gè)主要問題。如今，英國F35的主滾動(dòng)軸承架在壓制了數(shù)萬噸的液壓活塞桿后，經(jīng)過激光切割和拋光，不僅制造時(shí)間長，而且消耗大量原材料。大約70%的鋁合金正在凝結(jié)。過程中被破壞。未來，由于在裝配過程中會(huì)消耗額外的粘合劑原材料，最終鑄件將比使用添加劑制成的零件重約30%。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，顯著減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省昂貴的航材，降低搬運(yùn)成本，減輕結(jié)構(gòu)重量是對(duì)空間最重要的技術(shù)要求之一。傳統(tǒng)制造技術(shù)正在接近極限，而高性能疊層鑄造技術(shù)可以在達(dá)到可比或更好性能的基礎(chǔ)上優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而顯著減輕金屬結(jié)構(gòu)件的重量。加工復(fù)雜形狀和薄壁功能部件打破了傳統(tǒng)加工技術(shù)強(qiáng)加的設(shè)計(jì)限制，生產(chǎn)很可能會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)，而層壓建模技術(shù)不可避免地會(huì)導(dǎo)致對(duì)CAD模型的新設(shè)計(jì)要求和創(chuàng)新設(shè)計(jì)變化，為了更好的溫度控制和更好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，新的航天器往往不得不產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部流路結(jié)構(gòu)，以避免危險(xiǎn)的共振效應(yīng)和同一組件不同部分的不同電壓狀態(tài)。添加劑生產(chǎn)不同于傳統(tǒng)的處理方法，由于零件的形狀，幾乎沒有限制，最合理復(fù)雜的內(nèi)部流路結(jié)構(gòu)，提供最合理的壓力分布結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳的溫度控制方式，通過混合不同的材料，可以實(shí)現(xiàn)同一部件不同部件的功能要求[8]。一方面，激光增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)異種材料的高性能混合。通過鑄造、鍛造、機(jī)加工等傳統(tǒng)工藝制造的零件可以任意添加到精密結(jié)構(gòu)中，使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能；另一方面，激光增材制造技術(shù)可以生產(chǎn)毛坯，然后采用材料減薄的方法進(jìn)行后續(xù)加工。因此，增材制造技術(shù)在形成接近于直接晶格的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和形狀方面的優(yōu)勢(shì)，可以與傳統(tǒng)制造技術(shù)在高效、低成本、高精度和優(yōu)異的表面質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，形成最好的制造戰(zhàn)略。航空功能部件的快速維護(hù)。飛機(jī)維修中經(jīng)常需要更換零件，單是拆卸時(shí)間就可以長達(dá)1～3個(gè)月。使用增材制造技術(shù)將損壞的零件作為基體生長材料進(jìn)行加工，不僅可以實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)，而且修復(fù)后的零件性能仍然可以達(dá)到或超過鍛件的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

4.結(jié)語

激光層壓模型在航空領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越廣泛，隨著先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想的自由化和完善，他們的相互營銷將對(duì)航空業(yè)的未來產(chǎn)生重大影響。激光增材制造是一種新興的跨學(xué)科技術(shù)，包括激光、機(jī)器、數(shù)控、材料等跨學(xué)科技術(shù)，開發(fā)時(shí)間很短，與鑄造、鍛造、焊接、粉末冶金和機(jī)械加工等傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)相比，但技術(shù)準(zhǔn)備水平仍有較大差距，需要系統(tǒng)細(xì)致的研究和工程研究。此外，幾個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的真誠合作也是保證疊層模型進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)，疊層模型在航空領(lǐng)域發(fā)揮著更大的作用。高速、高機(jī)動(dòng)性、長壽命、安全、高效、合理運(yùn)行等嚴(yán)峻的工況，對(duì)機(jī)身的設(shè)計(jì)、材料和生產(chǎn)提出了很高的要求，增材制造使飛機(jī)盡可能輕、集成、壽命長、可靠、整潔、實(shí)用。